برج كهرباء

الهيكل

المواد

كذلك، ويتم تصميم البرج شبة المرن بحيث يمكن استخدام أسلاك التأريض لنقل الحمولة الميكانيكية للأبراج المجاورة، إذا حدث عطل في إحدى الموصلات الأصلية وأصبحت الأحمال غير متزنة .

كذلك، وبالنسبة لبرج دلتا فإن له قاعدة صغيرة متصله بالأرض ويتم تصميمه على شكل V لتقليل تكلفة البناء .

من جانب آخر، يتم تصميم الأبراج على أن تكون ذاتيه الدعم بحيث تتحمل وزن الموصلات والرياح والجليد التي قد تهب من أي اتجاه، وتكون لهذة الأبراج قواعد مربعة الشكل وأربع نقاط اتصال مع الأرض .

الأبراج ذات المظهر الشبكي

كذلك، تصنع هياكل الأبراج ذات المظهر الشبكي من الصلب أو الألومنيوم . ويتم استخداما كخط جهد عالي لكل الجهود سواء كانت عالية أو متوسطة أو صغيرة . ولكن يتم استخدامها بكثرة مع الجهود العالية .

من جهة ثانية، غالبا ما يتم صناعة الهيكل من الصلب المجلفن، بينما يتم استخدام الألومنيوم في المناطق الجبلية لأن النقل يكون باستخدام الطائرات الهليكوبتر ,أو مع البيئات التي تسبب تآكل الصلب ويتميز كذلك برخص تكلفة تركيبة . وتم تصميمه مثل الصلب مع مراعاه اختلاف معامل يونغ للمعدنين .

تقاطع الأذرع وترتيب الموصلات

إضافةً إلى ذلك، بشكل عام، هناك حاجة لثلاثة موصلات لكل دائرة كهربائية ثلاثية الطور، على الرغم من أن الدوائر أحادية الطور والتيار المستمر تُحمل كذلك على الأبراج. قد يتم ترتيب الموصلات في مستوى واحد، أو باستخدام عدة أذرع متقاطعة يمكن ترتيبها في نمط متماثل على وجه التقريب ومثلث لموازنة ممانعات المراحل الثلاث. إذا كان مطلوبًا حمل أكثر من دائرة وكان عرض يمين الطريق لا يسمح باستخدام أبراج متعددة، فيمكن حمل دائرتين أو ثلاث دوائر على نفس البرج باستخدام عدة مستويات من الأذرع المتقاطعة. غالبًا ما تكون الدوائر المتعددة هي نفس الجهد، ولكن يمكن العثور على الفولتية المختلطة في بعض الهياكل.

ميزات أخرى

العلامات

إضافةً إلى ذلك، تصدر منظمة الطيران المدني الدولي توصيات بشأن علامات الأبراج والموصلات المعلقة بينها. ستجعل بعض الولايات القضائية هذه التوصيات إلزامية، مثلًا، يجب أن يكون لبعض خطوط الكهرباء علامات سلكية علوية موضوعة على فترات، وأن أضواء التحذير توضع على أي أبراج عالية بما فيه الكفاية، وينطبق هذا بشكل خاص على أبراج النقل القريبة إلى المطارات. غالبًا ما تحتوي أبراج الكهرباء على بطاقة تعريف تحمل اسم الخط (إما النقاط النهائية للخط أو التعيين الداخلي لشركة الطاقة) ورقم البرج. هذا يجعل تحديد موقع العيب لشركة الطاقة التي تمتلك البرج أسهل. أبراج النقل، مثلها مثل الأبراج الشبكية الفولاذية الأخرى بما في ذلك أبراج البث أو الهواتف المحمولة، يتم تمييزها بعلامات تثبط وصول الجمهور بسبب خطر الجهد العالي. غالبًا ما يتم تحقيق ذلك بعلامة تحذير من الجهد العالي. في أوقات أخرى، يتم تمييز نقطة الوصول بالكامل إلى ممر الإرسال بعلامة.

التسمية

من جهة ثانية، يتعدد اسم الهيكل من دولة إلى دولة أخرى على حسب ثقافتها ولهجتها فيطلق على هذة الهياكل في الولايات المتحدة ومصر والكثير من الدول التي تتحدث بالإنجليزية والعربية اسم برج كهربائي أو برج ضغط عالي . بينما يسمي في المملكة المتحدة بأعمدة الكهرباء .

الأبواق المنحنية

علاوةً على ذلك، تضاف الأبواق المنحنية أحيانًا إلى نهايات العوازل في المناطق التي قد تحدث فيها زيادة في الجهد. قد يكون سبب هذه الضربات الصاعقة أو في عمليات التحويل. إنها تحمي عوازل خط الطاقة من التلف الناتج عن الانحناء. يمكن رؤيتها على أنها أنابيب معدنية مستديرة في أي من طرفي العازل وتوفر مسارًا إلى الأرض في الظروف القصوى دون إتلاف العازل.

وظائف البرج

في هذا الإطار، يمكن تصنيف هياكل الأبراج حسب الطريقة التي تدعم بها موصلات الخط.American Society of Civil Engineers Design of latticed steel transmission structures ASCE Standard 10-97, 2000, , section C2.3 تدعم هياكل التعليق الموصل عموديًا باستخدام عوازل التعليق. تقاوم هياكل الإجهاد صافي التوتر في الموصلات وترتبط الموصلات بالهيكل من خلال عوازل الضغط. تدعم الهياكل المسدودة الوزن الكامل للموصل وأيضًا كل التوتر الموجود فيه، كما تستعمل عوازل الضغط. تصنف الهياكل على أنها تعليق مماس، تعليق زاوية، إجهاد مماس، إجهاد زاوية، طريق مسدود مماس، زاوية طريق مسدود.Donald Fink and Wayne Beaty (ed.) Standard Handbook for Electrical Engineers 11th Ed., Mc Graw Hill, 1978, , pp. 14-102 and 14-103 عندما تكون الموصلات في خط مستقيم، يتم استخدام برج مماس. تستعمل أبراج الزاوية حيث يجب أن يغير الخط اتجاهه.

الخشب

وعلى صعيد آخر، لا يتم استخدام الخشب في بناء الأبراج التي تحمل جهد أكبر من 30 كيلو فولت . ولكن في بلاد مثل كندا والولايات المتحدة يتم بناء أبراج من الخشب تحمل جهد يصل إلى 345 كيلو فولت لقله التكلفة . وحتي مع دخول عام 2012 ما زالت هناك أبراج مصنوعة من الخشب تستعمل لنقل جهود تصل إلى 345 كيلو فولت."New High Voltage Pylons for the Netherlands" ويمكن استخدام هذة الأبراج بشكل مؤقت حتى يتم بناء الهياكل الحديدية .

من جانب آخر، نادرا ما يتم استخدام الخشب في صناعة أبراج الضغط العالي لصعوبة بناء هيكل طولة أكثر من 30 متر من الخشب فقط . ولكن يدخل في بناء اطارات على شكل H أو إطار على شكل K .

خطوط نقل جهد عالي للتيار المتردد

إضافةً إلى ذلك، وفي العادة يتم توصيل سلكين في خطوط الضغط العالي للحماية من الصواعق .

من جانب آخر، كلما زادت مسافة النقل زادت قيمة الجهد ويتكون البرج من موصلات (ويجب تصميم البرج ليتحمل ثلاث موصلات أو مضاعفات هذا الرقم كست موصلات ) , وعوازل تصنع عادة من الزجاج أو البورسلين وكذلك من أسلاك وترية طويلة من الألومنيوم ويتم صناعه الهيكل من الحديد وبأسلوب الجملون ويمكن أن يصنع الهيكل من الخشب كما في كندا , ألمانيا , إسكندنافيا . ويتم صناعة العوازل من البروسلين أو من الزجاج .

وفي هذا الصدد، يتم استخدام التيار المتردد ثلاثي الأوجه مع الجهود العالية والتي تترواح من 66 كيلو فولت إلى 110 كيلو فولت , ومع الجهود العالية جدا والتي تتراوح من 110 كيلو فولت إلى 138 كيلو فولت وغالبا ما تتراوح بين 138 كيلو فولت إلى 230 كيلو فولت .

تصميمات خاصة

وفي السياق ذاته، في بعض الأحيان (على وجه الخصوص على الأبراج الشبكية الفولاذية لأعلى مستويات الجهد) يتم تركيب محطات الإرسال، ويتم تركيب الهوائيات في الجزء العلوي فوق أو أسفل السلك الأرضي العلوي. عادةً ما تكون هذه التركيبات مخصصة لخدمات الهاتف المحمول أو الراديو العامل لشركة تزويد الطاقة، ولكن كذلك في بعض الأحيان لخدمات الراديو الأخرى، مثل الراديو الاتجاهي. وهكذا تم بالفعل تركيب هوائيات الإرسال لأجهزة إرسال راديو إف إم والتلفزيون منخفضة الطاقة على أبراج. على برج معبر إلبه1، توجد منشأة رادار تابعة لمكتب المياه والملاحة في هامبورغ. من أجل عبور الوديان العريضة، يجب الحفاظ على مسافة كبيرة بين الموصلات لتجنب حدوث دوائر قصر ناتجة عن اصطدام كابلات الموصلات أثناء العواصف. لتحقيق ذلك، في بعض الأحيان يتم استخدام صاري أو برج منفصل لكل موصل. لعبور الأنهار والمضائق العريضة بسواحل مستوية، يجب بناء أبراج عالية جدًا بسبب ضرورة وجود خلوص ارتفاع كبير للملاحة. يجب أن تكون هذه الأبراج والموصلات التي تحملها مجهزة بمصابيح سلامة الطيران وعاكسات. اثنان من المعابر النهرية العريضة المعروفة هما معبر إلبه 1 ومعبر إلبه 2. والأخيرة لديها أطول صواري علوية في أوروبا، بارتفاع 227 مترًا (745 قدمًا). في إسبانيا، يتميز الخط العلوي الذي يعبر الأبراج في خليج قادس الإسباني ببناء مثير للاهتمام بشكل خاص. يبلغ ارتفاع أبراج العبور الرئيسية 158 مترًا (518 قدمًا) مع وجود ذراع عرضي واحد فوق هيكل إطار فوستوم. أطول امتداد للخط العلوي هو عبور سوجنيفجورد النرويجي (4,597 م (15,082 قدمًا) بين صاريتين) و أميراليك سبان في جرينلاند (5,376 م (17,638 قدمًا)). في ألمانيا، الخط العلوي لعبور EnBW AG في إياتل لديه أطول امتداد في البلاد عند 1,444 متر (4,738 قدمًا). من أجل إسقاط الخطوط العلوية في الوديان شديدة الانحدار والعميقة، يتم استخدام الأبراج المائلة أحيانًا. يتم استخدامها في سد هوفر، الواقع في الولايات المتحدة، لتنزيل جدران الجرف في بلاك كانيون في كولورادو. في سويسرا، يوجد برج مائل بحوالي 20 درجة إلى الاتجاه الرأسي بالقرب من سارجانز، سانت غالنز. تُستعمل صواري شديدة الانحدار في برجين بجهد 380 كيلوفولت في سويسرا، حيث يتم ثني أعلى 32 مترًا من أحدهما بمقدار 18 درجة إلى الوضع الرأسي. تكون مداخن محطة الطاقة أحيانًا مجهزة بأعمدة عرضية لتثبيت موصلات الخطوط الصادرة. بسبب المشاكل المحتملة مع التآكل بواسطة غازات المداخن، فإن مثل هذه الإنشاءات نادرة جدًا. سيتم استخدام نوع جديد من الصرح، يسمى أبراج وينتراك، في هولندا بدءًا من عام 2010. تم تصميم الأبراج كهيكل بسيط من قبل المهندسين المعماريين الهولنديين الزورتس وجانسما. جعل استخدام القوانين الفيزيائية للتصميم تقليل المجال المغناطيسي ممكنًا. كذلك، يتم تقليل التأثير البصري على المناظر الطبيعية المحيطة.

من جهة ثانية، يظهر برجان على شكل مهرج في المجر، على جانبي الطريق السريع M5، بالقرب من جارتيان. تم إقران قاعة مشاهير كرة القدم الاحترافية في كانتون، أوهايو، بالولايات المتحدة، وشركة الكهرباء الأمريكية لتصور وتصميم وتثبيت أبراج على شكل ما بعد الهدف تقع على جانبي الطريق السريع 77 بالقرب من القاعة كجزء من ترقية البنية التحتية للطاقة. برج ميكي هو برج إرسال على شكل ميكي ماوس على جانب الطريق السريع 4، بالقرب من عالم والت ديزني في أورلاندو، فلوريدا.

أبراج لأنواع مختلفة من التيارات

ومن ناحية أخرى، يتم استخدام أبراج الجهد العالي لنقل أشكال عديدة من الطاقة سواء كانت لتيار مستمر أو لتيار متردد . وغالبا ما تكون جميع الدوائر على البرج تحمل جهد كهربي 50 كيلو فولت أو أكثر . ولكن يوجد أبراج تنقل جهد منخفض .

تصميم البرج

الأمن المادي

وفي السياق ذاته، ستتمتع الأبراج بمستوى من الأمان المادي لمنع أفراد الجمهور أو الحيوانات المتسلقة من الصعود إليها. قد يتخذ هذا شكل سياج أمني أو حواجز تسلق مضافة إلى الأرجل الداعمة. تتطلب بعض البلدان أن تكون الأبراج الفولاذية الشبكية مجهزة بحاجز من الأسلاك الشائكة على ارتفاع 3 أمتار (9.8 قدم) على وجه التقريب فوق سطح الأرض لردع التسلق غير المصرح به. غالبًا ما توجد مثل هذه الحواجز في الأبراج القريبة من الطرق أو في مناطق أخرى يسهل وصول الجمهور إليها، حتى في حالة عدم وجود متطلبات قانونية. في المملكة المتحدة، كل هذه الأبراج مزودة بأسلاك شائكة.

عوازل

وفي هذا السياق، تقوم العوازل بعزل الجانب الحي لكابلات النقل كهربائيًا عن هيكل البرج والأرض. هم إما أقراص زجاجية أو خزفية أو عوازل مركبة تستعمل مطاط السيليكون أو مادة المطاط (EPDM). يتم تجميعها في خيوط أو قضبان طويلة تعتمد أطوالها على جهد الخط والظروف البيئية. باستخدام الأقراص، يتم تكبير أقصر مسار كهربائي سطحي بين الأطراف مما يقلل من فرصة التسرب في الظروف الرطبة.

الخرسانة

من جهة ثانية، يتم استخدام الأبراج الخرسانية في أنظمة نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية . ويتراوح مدى هذة الأبراج من 25 كيلو فولت إلى 230 أو 345 كيلو فولت . ويوجد أطول برج ضغط عالي في سويسرا ويبلغ طوله 59.5 متر , ويستعمل لنقل 380 كيلو فولت . وتوجد هذة الأبراج بكثرة في كندا والولايات المتحدة .

مخمدات ستوكبريدج

وفي هذا السياق، تضاف مخمدات (Stockbridge) إلى خطوط النقل على بعد متر أو مترين من البرج. وهي تتكون من طول قصير من الكبل مثبت في مكان موازٍ للخط نفسه ومثقل في كل طرف. تم تصميم الحجم والأبعاد بعناية لتثبيط أي تراكم للتذبذب الميكانيكي للخطوط الذي يمكن أن يحدث بسبب الاهتزاز الميكانيكي على الأرجح بسبب الرياح. بدونها من الممكن أن تتولد موجة راكدة التي يمكن أنّ تنمو في الحجم وتدمر الخط أو البرج.

أبراج نقل الكهرباء البارزة

ومن ناحية أخرى، تعتبر أبراج نقل الكهرباء التالية جديرة بالملاحظة بسبب ارتفاعها الهائل وتصميمها غير العادي وموقع البناء غير المعتاد أو استخدامها في الأعمال الفنية.

الصور

الصلب

كذلك، غالبا ما يتم صناعة الأبراج من الصلب بسبب متانتها وسهولة تشكيلها وتركيبها .

من جانب آخر، في ألمانيا , يتم استخدام الأبراج المصنوعة من الصلب لنقل الجهود المتوسطة، وفي بعض الأحيان للجهود العالية والتي تصل قيمتها إلى أعلى من 110 كيلو فولت . بينما في فرنسا , تستعمل لنقل جهود تصل إلى 380 كيلو فولت .وفي الولايات المتحدة , تستعمل لنقل جهود تصل إلى 500 كيلو فولت .

التجميع

ومن ناحية أخرى، قبل إنشاء أبراج النقل، يتم اختبار النماذج الأولية للأبراج في محطات اختبار الأبراج. هناك عدة طرق يمكن من خلالها تجميعها وتركيبها: الصرح المشدود المؤقت بجوار برج جديد بدأ العمل به يمكن تجميعها أفقيًا على الأرض وتركيبها بواسطة كابل الدفع والسحب. نادرًا ما تستعمل هذه الطريقة بسبب مساحة التجميع الكبيرة المطلوبة.

ومن ناحية أخرى، يمكن أن تعمل المروحيات كرافعات هوائية لتجميعها في مناطق ذات إمكانية وصول محدودة. يمكن كذلك تجميع الأبراج في مكان آخر ونقلها بالطائرة إلى مكانها على يمين الطريق. يمكن كذلك استخدام المروحيات لنقل الأبراج المفككة للتخريد.

من جهة ثانية، يمكن استخدام رافعة جين بول لتجميع الأبراج الشبكية. يستعمل هذا كذلك لأعمدة الكهرباء.

وفي هذا الصدد، يمكن تجميعها عموديًا (في وضعها النهائي المستقيم). تم تجميع الأبراج الشاهقة جدًا، مثل معبر نهر اليانغتسي، بهذه الطريقة.

خطوط نقل جهد عالي للتيار المستمر

إضافةً إلى ذلك، والآن نعود إلى نفس المشكلة ويريد بعض التقنيون إعادة تطبيق طريقة نقل الكهرباء بواسطة التيار المستمر . فليس بعيدا أننا سنتعامل في المستقبل مع النوعين من نقل الطاقة في نفس الوقت، نظرا لأن لكل منهما ميزاته ومساوئه بالنسبة للتطبيقات في الإلكترونيات التي تزايد استخدامها في أيامنا الحالية.

ومن جهة أخرى، في خطوط نقل الجهد العالي للتيار المستمر يكون النظام إما آحادي القطب أو ثنائي القطب . وفي الأنظمة ثنائية القطب يتم استخدام موصل واحد فقط على كل طرف من طرفي البرج . ويجب الحرص على وجود مانعات الصواعق لحماية الموصلات من التآكل الكهروكيميائي .

من جهة ثانية، في مطلع القرن العشرين , حينما كان استغلال الكهرباء على نطاق واسع، فضل بعض العلماء أن يكون نقل التيار بواسطة تيار متردد وآخرين فضلوا نقل الطاقة الكهربائية بتيار مستمر .فكان شجار واختلاف كبير في الآراء، وسميت تلك المعركة الهندسية حرب التيارات ، وحسم التعارك آنداك لصالح نقل التيار المتردد ، الذي هو من سمات عصر الكهرباء الذي نعيشه حتى الآن .